[发明专利]一种船用低速机摩擦力测量系统及其测量方法

说明书

本发明涉及一种船用低速机摩擦力测量系统及其测量方法，系统包括连杆力遥测单元、无线通讯单元、曲轴转角测量单元、缸压测量单元、主控单元和上位机单元，所述连杆力遥测单元连接所述低速机的连杆，用于测量连杆力，所述曲轴转角测量单元用于测量所述低速机的曲轴转角，所述缸压测量单元用于测量所述低速机的气缸压力，所述连杆力遥测单元和曲轴转角测量单元均通过所述无线通讯单元连接主控单元，所述主控单元还连接所述缸压测量单元和上位机单元。与现有技术相比，本发明具有对低速机改动小，易于实施且成本低等优点。

技术领域

本发明涉及船舶发动机摩擦力测量技术领域，尤其是涉及一种船用低速机摩擦力测量系统及其测量方法。

背景技术

大型船用低速机被广泛应用在远洋商船上作为推进动力装置，是远洋船舶最重要的配套设备，被称为船舶心脏。其活塞组-缸套、填料函-活塞杆和十字头滑块-导板，是相互耦合的三对重要摩擦副，摩擦损失占整机摩擦损失的绝大部分，对发动机的机械效率和可靠性有很大影响。因此，探索低速机活塞组-填料函-十字头滑块点火工况下的摩擦力水平，是极其重要和必要的。但是迄今为止，尚没有准确可靠的摩擦力测量技术，来确定它们的摩擦力水平。这很大程度上限制了船用低速机摩擦学性能的改善和油耗的降低。

针对汽车发动机的活塞组摩擦力，测量方法主要有浮动缸套法和瞬时IMEP法。进行这些方法的优缺点分析，对开展船用低速机的摩擦力测量工作有借鉴意义。浮动缸套法需要将气缸套从缸体上分离出来并在表面粘贴应变片。然后，利用缸套应变量获得活塞组-缸套之间的摩擦力。由于气缸爆发压力很大，分离气缸套后带来了气密性以及气体轴向力分离的问题。李国兴等人基于该原理，在专利号为ZL201710797811.2的发明中提出了一种内燃机活塞与缸套组件摩擦力的测量装置中，一定程度上缓解了气密性问题。安庆帝伯格茨活塞环有限公司和大连海事大学许久军团队也基于该原理设计了中国专利CN206804196U的一种点火状态下活塞组件与缸套摩擦力测试装置，以及中国专利CN104568275A的一种缸套与活塞组件摩擦力的测试装置及方法。不同于小型汽车发动机，船用低速机的缸径大多都在400mm以上，爆发压力高达数十兆帕，这无疑加大了密封的难度，轴向力的分离也更加困难。此外，由于船用低速机结构更加复杂，体积也比汽车发动机大的多，采用这种方法对其进行大程度的改装几乎是无法实现的。1983年，美国密歇根大学Uras等人在文献“PATTERSON D J,0148-7191”(URAS H M.SAE Technical Paper,1984)和文献“MEASUREMENT OF PISTON AND RING ASSEMBLY FRICTION INSTANTANEOUS IMEPMETHOD”(URAS H M,PATTERSON D J.Sae Technical Paper,1983)中提出了瞬时IMEP法。与浮动缸套法相比，这是一种间接测量方法，不需要对内燃机进行大规模改造。其原理是同时测量连杆力、作用在活塞上的气体力及活塞组的惯性力，利用瞬时力平衡，间接计算得到活塞组的摩擦力。目前国内外对这一技术的研究取得了一些进展，但还没有达到工业应用的水平。宁李谱在文献中利用该方法，初步实现了汽车发动机活塞组的摩擦力测量。方聪聪和文成伟等人在文献“An improved technique for measuring piston-assembly frictionand comparative analysis with numerical simulations:Under motored condition”(FANG C,MENG X,XIE Y,et al.Mechanical Systems and Signal Processing,2019,115(657-76)和文献“Online measurement of piston-assembly friction with wirelessIMEP method under fired conditions and comparison with numerical analysis”(WEN C,MENG X,XIE Y,et al.Measurement,109009)中，将瞬时IMEP方法与无线传输技术结合，在信号同步等方面升级了测量系统，成功测量了汽车发动机活塞组在倒拖和发火工况下的摩擦力。可以看出，瞬时IMEP法给出了一种内燃机摩擦力间接测量的思路，在汽车发动机的活塞组-缸套摩擦副上得到了一定应用。然而，由于船用低速机的结构和汽车发动机有很大不同，基于该方法进行摩擦力测量时，原理将会有很大变化。同时，由于船用低速机的体积更大，结构复杂度更高，基于该方法的测试装置和系统也必须进行针对性的设计来适应这些特点。